3D打印在材料化學專業課程教學中的應用探討

吳艷光，鄢國平，李 亮，張 橋，張云飛，胡雙鋒

(武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430073)

材料化學專業是融合傳統材料科學與新技術的交叉性學科，屬于現代化材料科學、化學和化工領域的重要分支，它是從化學角度探索材料的微觀結構對其宏觀性能的影響規律，其專業教學環節正處于發展階段[1]。在我國，許多高校已開設了材料化學專業，其目的是培育出系統掌握材料科學理論基礎和相關技術，能在材料學和工程學等領域從事科研、產品設計、教學和相關管理工作的高級應用型人才[2]。材料化學專業課程包括理論教學和實踐教學兩大部分。其中，理論教學主要是以課堂講授的形式傳遞理論知識；而實踐教學是進一步加深和鞏固理論知識，提高學生的實踐動手能力、創新設計能力以及工程應用能力的培養環節[3-4]。隨著社會經濟和現代工業的轉型升級，培育和健全適用新時代特征的高級應用型專門人才是高等院校面臨的緊迫任務。隨著社會科學技術的不斷向前發展，涌現出了一些如3D打印(增材制造)等這樣的新型技術。如何將這些新技術較好的融入至高校的專業課程教學過程中，起到協同發展作用，具有重要的社會價值和意義。

1 3D打印技術及材料化學專業現有課程體系的特點

1.1 3D打印技術

3D打印技術是近三十來年發展起來的一種新型數字化加工技術，它是以數字模型為基礎，運用粉末狀金屬、塑料絲材或液態材料等，通過逐層打印的方式來構造形狀各異物件的技術，其具備有不同于傳統加工技術的特點和優勢[5]。3D技術以智能化、數字化以及新材料的應用為特征，對工業設計、先進制造、信息化工程以及文化創意等多個領域產生了重要的影響[6]。隨著3D技術的不斷發展，已形成了熔融堆積法(FDM)、選擇性激光燒結法(SLS)、選擇性激光熔化法(SLM)、立體光固化法(SLA)和分層實體制造法(LOM)等多個加工方式，可適用于不同的打印材料和制造工藝。

1.2 材料化學專業現有課程體系特點

材料化學是由材料學與化學兩門學科交叉的一門新型學科，主要是研究材料的微觀層面如組成、結構等對其宏觀性能及應用的影響規律的科學。材料化學專業現有課程主要有理論課程和實踐課程。在現有課程基礎上，如果較好的培養出高專業素養應用型人才是很多教育工作者一直在思考的問題。作為材料化學專業一名課程教學的直接參與者，作者根據自身多年的教學經驗及對武漢工程大學相關調研發現，材料化學專業現有課程教學體系主要存在有以下不足：首先，教材內容有待改進，課程結構單一化。材料化學專業課程是培養高專業素養應用型人才的重要載體，具有非常重要的地位。但武漢工程大學材料化學專業現有教材的內容比較偏重研究型或者說綜合型的工科大學生，其內容結構設置，知識點的分布等與工程應用的銜接性有待進一步加強。另外，目前的課程結構主要是理論講授加簡單的專業實驗，前者為主，后者為輔，較為單一，在滿足培養學生的工程實踐應用能力方面存在欠缺。其次，教學方式較陳舊。教學方式基本還是傳統的幻燈片(PPT)加黑板的“填鴨”模式，在如今總學時日益減少的情況，單位學時專業課程信息量增加是必然趨勢，依然采取上述教學模式很難讓學生較好的投入到教學活動中來，而只是被動的接受，導致教學效果大打折扣。再次，實驗實踐教學課程內容缺乏新穎性以及與現代新型工程技術結合不夠緊密。另外，學生的學習興趣難以調動等。作為專業課教師，我們認識到了現有的材料化學專業教學模式對提高學生的專業素養，讓學生自主去學習與創新，提高學生的設計與創造能力等具有一定的困難。為此，我們需要探索一些新型的課程教學方法，對材料化學專業課程教學體系進行創新性改革，從而提高教學效果和人才培養質量。

2 3D打印技術在材料化學專業課程中的應用分析

3D打印技術是以數字化模型為基礎，以塑料或金屬粉末等可粘合性材料為打印原料，具有制造效率高、設計自由化以及節省原材料等優點，被稱作是一種革命性的制造技術[7]。隨著3D技術的不斷發展成熟，將其與材料化學現有的專業課程有效的融合在一起，將會在一定程度上改善教學效果，提高學生的動手能力、實踐能力、創新意識以及專業素養。武漢工程大學材料化學專業在將3D技術與課程教學的融合過程中，做了許多有意義的工作，且逐漸摸索出了一些較好的方法。

2.1 與“生物材料學”課程的結合

“生物材料學”課程是材料化學專業的主干課程之一，其目的是使讀者熟悉生物材料在醫學中的運用及其合理性，該課程系統介紹了體內組織與器官替代用生物材料及器械的基本結構、物理機械性能、生物相容性以及毒性作用等[8]。在該課程學習過程中，學生會面臨許多復雜的人體器官或組織結構，傳統的教學主要是以圖片或視頻的方式呈現在學生眼前。且在非醫學專業，相關的實驗實踐教學環節非常缺乏，從而會嚴重影響學生的學習興趣、降低教學效果。因此，需要開拓新型的教學手段來提高教學效果，如將3D打印技術應用到該課程中，能起到事半功倍的積極效果。3D打印技術在“生物材料學”課程教學過程中，能給學生提供人體組織復雜結構的現實印象，能有益于學習人體組織結構、醫療植入物和術前規劃等[9]。例如，在講授細胞結構和功能的時候，可以先將一個細胞的典型結構打印出來，以一種立體的實物形式呈現在學生眼前，可讓學生對細胞膜、染色體、線粒體等組織結構具有深刻的了解，可有效的激發學生的學習興趣和改善學習效果。

2.2 與“材料科學基礎”課程的結合

該課程是我校材料化學專業的一門重要專業基礎課，其融合高分子材料、無機非金屬材料等共性科學原理和方法，闡述材料結構、性質、性能之間相互關系，解決材料的設計、制備和加工等相關工程問題。其目的是將學生培養成能夠理解并調控材料開發-服役-消亡的整個材料循環過程的綜合型人才。而傳統的教學模式主要是填鴨式的課堂理論教學，有些甚至相關的專業實驗也不是很完善。且該課程涉及的專業內容較多，難度較大，對很多同學來說，學好該課程不容易。例如在晶體結構一章，單晶結構、空間點陣等知識點的學習需要學生有較強的空間想象能力，否則學習效果會大打折扣。于是，我們若能結合3D打印技術，將晶體模型完整的打印出來，這不僅能加深學生對晶體結構的深刻理解，還能大大的提高學生的學習動力，取得較好的教學效果。

2.3 與材料化學專業實驗實踐課程的結合

實驗實踐教學是高校培養學生對理論知識的應用能力、加強崗位技能，實現應用型人才培養目標的重要教學環節[10]。主要包括有專業實驗、課程設計實驗、認識實習、專業實習，生產實習以及畢業實習等幾種形式。為了提高實驗實踐課程的教學效果，將3D技術融入其中具有非常重要的價值。同時，武漢工程大學材料化學專業在實踐教學過程中也做出了很多有意義的工作。首先，在專業實驗實踐教學過程中，有很多環節融入了3D打印技術。如本專業已購買了部分3D打印設備(如圖1)，為理論及實驗教學用實物模型的打印提供了硬件基礎。

圖1 本專業已購買的部分3D打印設備

另外，在專業實驗及課程設計實驗中增設了部分3D打印內容，讓學生親自動手完成打印操作過程，提高了其動手能力和學習興趣。其次，為了更全面、直觀的了解和掌握3D打印技術的工藝過程及提高學生的實踐操作能力，本專業開設了3D打印實習教學，即與校外3D打印企業(如湖北嘉一三維高科股份有限公司)簽訂了產學研實踐教學合作協議。實習期間，企業會安排工程師為學生介紹相關技術知識，現場指導學生上機操作，教受學生組裝打印設備、計算機建模、切片、選材、打印以及產品后處理等全面具體的工藝，這大大提高了學生的動手實踐能力、設計能力以及創新思維。圖2與圖3分別為本專業學生在實習過程中組裝打印設備和打印制得的產品模型。

圖2 本專業學生正在組裝3D打印設備圖3 打印制造的產品模型(人體關節)

在材料化學專業現有的課程體系中，主要還是以減材制造的思維模式為基礎，缺乏產品制造的靈活性、創新性和可設計性。隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，將其融入傳統的課程教學模式中，培養3D打印技術思維的設計人才是教育發展的必然。通過相關課程的補充，可使學生將這種自由、快速、可設計性強的制造技術與產品的功能、結構及外觀較好的結合起來，提高學生的創新思維、想象能力和專業素養。

3 結論

3D打印技術發展至今，已顯現出了許多優于傳統減材制造技術的特點，但將其與高校的專業課程教學及人才培養模式緊密有效的結合起來還面臨著諸多困難，培養學生的創新思維能力還需要做進一步的研究工作。武漢工程大學材料化學專業在完成本項目過程中，只是做了初步的實踐探索。隨著教育事業的不斷發展，將3D打印技術全面的融入教學體系中是大勢所趨，也必定會對高校的專業人才培養產生積極有益的作用。